近年来因逐渐加剧的人类活动引发的PM2.5污染和有毒气体污染已经给人体健康带来了极大的威胁,再加之石油资源的逐渐枯竭,研究和开发生物可降型空气过滤材料来代替常用的聚合物基空气过滤材料已成为学术界和工业界关注的焦点。纤维素基空气过滤材料被认为是最具开发和应用前景的生物可降型空气过滤材料。冷冻干燥技术可以保留多孔材料的本质结构和形貌,是常用的制备纤维素基多孔材料的方法。因此,本课题选用绿色可再生、可生物降解的纤维素纤维为原材料,采用冷冻干燥技术探究了纤维素纤维在制备空气过滤材中的应用潜力。主要研究内容如下:首先,研究了冷冻干燥法制备纤维素基空气过滤材料的影响因素和各因素的作用机理。结果显示,冷冻温度、纤维悬浮液浓度和纤维的原纤化程度均会影响冰晶的生长方式、形貌和尺寸,从而改变纤维素基空气过滤材料的微观结构、孔隙形貌和孔隙尺寸,进而影响过滤材料的空气过滤性能。当冷冻成型温度为-56℃,纤维悬浮液浓度为1.5%,纤维的磨浆转数为50000r时,制备的纤维素基空气过滤材料对300 nm的颗粒物的过滤效率可以达到65.12%,可应用为粗效空气过滤材料。然后,为了获得过滤性能更加优异的纤维素基空气过滤材料,通过向原纤化纤维素纤维/水的分散体系中加入叔丁基醇(TBA)制备了蛛网状空气过滤材料,并探究了蛛网状结构的形成机制。结过表明,TBA诱导蛛网状结构形成的机理有以下两点:(1)TBA的存在,可以阻碍微细纤维间的氢键结合、增大微细纤维间的化学位阻,从而使微细纤维处于单丝状态,有助于蛛网状网络的形成。(2)TBA的加入会改变冰晶的结构和结晶动力学,诱导冰晶从尺寸较大层状结构转变为小尺寸TBA水合物,从而避免了层状冰晶对蛛网状网络的破坏,使过滤材料的微观结构从各向异性的层状结构转变为各向同性的蛛网状结构。过滤性能测试结果显示,蛛网状空气过滤材料对300 nm颗粒物的过滤效率可以达到99.07%~99.78%,达到了N99水平,可应用为高效空气过滤材料。最后,为了赋予纤维素基空气过滤材料气体吸附性能,使其能够净化空气中的有毒气体,利用具有气体吸附特性的ZIF-8纳米晶体对原纤化纤维素纤维进行修饰,制备了ZIF-8纳米晶体/纤维素纤维复合空气过滤材料。过滤性能测试结果显示ZIF-8纳米晶体/纤维素纤维复合空气过滤材料具有优异的颗粒物截留能力,其对300 nm颗粒物的过滤效率高达99.99%。N2吸附测试表明,吸附平衡时ZIF-8纳米晶体/纤维素纤维复合空气过滤材料的N2吸附量是未经ZIF-8纳米晶体修饰的纤维素基过滤材料的100余倍。甲醛气体吸附测试得出,常压下ZIF-8纳米晶体/纤维素纤维复合空气过滤材料的甲醛气体吸附量达到了30mg/g以上,是未经ZIF-8纳米晶体修饰的纤维素基过滤材料的20余倍。
